Após Chuck receber de um de seus ex-colegas da faculdade, atualmente, agente corrupto da CIA, Bryce Larkin, um e-mail com uma série de imagens encriptadas, o jovem viciado em computadores passa a ter, sem perceber, a base de dados dos segredos governamentais gravados no cérebro. Rapidamente, a NSA e a CIA mandam um agente de cada equipe, para protegê-lo e impedir que esses segredos caiam em mãos erradas. Assim, ele deve aprender a dividir sua vida entre ser um amigável nerd de informática e um recurso das agências em missões secretas.